蘇南集氣站站控SCADA系統的開發與應用

唐瑞志，文靜，羅媛媛，王小勇

1.西安石油大學（陜西 西安 710065）2.中國石油長慶油田蘇里格南作業分公司（陜西 西安710018）

蘇南集氣站日設計處理能力400×104m3，是蘇里格地區處理規模最大的集氣站，各井叢開采的天然氣通過管道輸送到集氣站進行預分離處理，然后通過外輸計量流程管線集中輸入至外輸集氣管線，輸往蘇里格第五天然氣處理廠處理后，進入供氣管網。蘇南集氣站既要實現站內高效處理能力，也要集中監控所轄井區所有井叢生產數據的實時監控，生產數據龐雜、處理能力遠高于蘇里格氣田常規集氣站，安全生產的風險等級較高。為實現無人值守, 保障生產安全、優化人力資源和提高勞動生產效率，一種適用于蘇南生產模式的站控系統成為必然選擇，以此來適應氣田大規模開發建設的需要，對實現天然氣安全、高效的生產及輸送有著重要意義[1-2]。

1 蘇南集氣站站控系統建設概況

蘇南項目地面集輸系統采用“井下節流、井叢集中注醇，中壓集氣，井口帶液連續計量，常溫分離，兩次增壓，氣液分輸，集中處理”的集輸總工藝。

蘇南集氣站站控系統采用國際先進的SCADA架構模式搭建。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）即數據采集與監測控制系統，主要由監控計算機、遠程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎設施、人機界面（HMI）等部分組成（圖1）。

圖1 蘇南-C1集氣站SCADA系統結構

井叢控制系統及站控系統主要負責采集集氣站及轄區所有井叢生產運行數據。PKS冗余服務器主要負責收集并分析井叢控制系統或站控系統控制器上傳的生產數據，并實現生產數據的歷史存儲，實時采集顯示，報警功能。交換機用于搭建站控系統內部通訊冗余網絡，負責服務器及各控制器間網絡通訊。

一般可以將SCADA 系統分為三級：上位機、網絡通信及下位機。先將壓力變送器、溫度變送器、液位計、流量計等現場生產數據由站控系統PLC（BB 控制器）采集處理后，通過modbus 通訊協議傳輸至本地端站控服務器（PKS），最后通過OPC 協議上傳至數字化生產指揮平臺[3]。

2 站控系統搭建

2.1 硬件組成

站控系統硬件主要由現場生產設備（壓變、溫變、執行機構等）、信號采集分析控制設備（CCRS 冗余控制器、各類數據采集卡件、串口服務器等）、數據采集存儲設備（服務器、操作員計算機）等構成（圖2）。

圖2 蘇南集氣站架構

由霍尼韋爾公司的Experion PKS 和戴爾公司的R730 機架式服務器搭建的冗余服務器和基于戴爾公司的T5820圖形工作站搭建的操作員站組成了上位機部分，上位機采用典型的S/C 結構。PKS 服務器主要用于運行Experion PKS 系統軟件，負責采集站控系統控制器及轄區井叢控制器中的生產數據，并通過站控系統控制器或井叢控制器實現對現場生產設備的控制，在PKS 服務器中匯集處理生產數據，實現歷史數據存儲，分析，實時數據顯示、報警，通過連接打印機自動生產報表功能。

由 Bristol Babcock 公司的 CW 及 CWM 系列產品搭建的集氣站站控系統SCS，其核心是CCRS冗余控制器，通過標準數據采集模塊實現對現場各類生產設備的數據采集及監控。圖3為蘇南集氣站站控系統SCS系統結構。

圖3 蘇南集氣站站控SCS系統結構

數據采集模塊分為 4 類：AI（Analog Input Module）卡件，AO（Analog Output Module）卡件，DI（Digital Input Module）卡件及 DO（Digital Output Module）卡件。AI 卡件主要作用是采集現場的模擬量（4～20 mA）信號，對應現場的設備包括壓力、溫度，差壓，液位、閥門開度、可燃氣體濃度等。AO 卡件主要作用是控制現場的設備，輸出受控模擬量信號，單個卡件有4 個AO 通道，對應現場的設備有調節閥、變頻器等。DI（Digital Input Module）卡件主要作用是采集現場的閉合開關量信號，對應現場的設備包括閥門開關到位、消防系統報警輸出等。DO 卡件主要作用是控制現場的受控設備，輸出開關量信號，對應現場的設備包括閥門開關命令、泵啟停命令等。

站控系統交換機主要實現控制器與采集模塊，上位機PKS服務器等設備間的通訊。

Comtrol 串口服務器，主要實現對站控系統的串口進行拓展，站控系統通過Comtrol串口服務器的虛擬串口，實現對集氣站站內第三方設備如：壓縮機、UPS、空壓機、高低壓配電柜等設備的運行數據的采集，實現重要設備運行參數監控，操作平臺統一，方便操作人員及時掌控集氣站各生產設備的運行狀態。

站控系統CCRS 冗余控制器，主要負責處理各類卡件的數據，實現上下位機間的數據通訊，并執行自動控制邏輯，如分離器自動排液邏輯，站內ESD緊急停車邏輯，全區井叢聯鎖站內ESD 停產邏輯等。

圖4 為CCRS 冗余控制器通過IO 卡件實現對現場的部分設備的監控的功能原理圖。

2.2 站控系統軟件設計方案

站控系統軟件設計包括下位機編程軟件和上位機組態軟件兩部分。下位機：通過ControlWave Designer 對下位機站控系統進行組態，主要實現的功能是數據采集、運算和自動控制。上位機：上位機采用Honeywell的PKS系統，主要功能是監測由下位機傳來的數據及狀態，同時下發生產控制指令[4]。

3 站控SCADA系統實施效果

蘇南公司集氣站站控系統涵蓋進站區、閥組區、分離器區、壓縮機等13個功能區塊，具備兼容性強、可擴展性、建設成本低、運行穩定等特征，可實現以下功能。

1）設置不同級別的報警級別，監測蘇南氣田安全生產運行。

2）對上位機PKS 系統設計不同的操作員權限，嚴格把控系統的各項下發指令。系統自動采集并生成蘇南氣田每日生產報表。

3）檢測、控制并顯示進站區來氣干管氣動球閥狀態：閥門開狀態、閥門關狀態，遠程控制開關氣動球閥。

4）檢測、控制并顯示進站區來氣干管放空氣動球閥狀態：閥門開狀態、閥門關狀態，遠程開關氣動球閥。

5）檢測、控制并顯示進站區放空管線氣動調節閥閥位反饋，控制閥門開度。當任意一個放空閥門打開，氣動調節閥進行PID 調壓控制，使上下游壓差不超過0.03 MPa,保護放空管線及下游設備安全。

6）檢測、控制并顯示分離器相關氣動球閥狀態：閥門開狀態、閥門關狀態，遠程開關氣動球閥。

7）分離器自動排液，采用正常排液和非正常排液兩種模式，手動切換到正常排液模式，實行PID 自動控制，保護排液管線安全，避免因液量過大造成刺漏等安全事故；如分離器液位超過邏輯程序設定值（按照設計院根據現場實際生產情況進行設定），分離器排液系統即自動切換到非正常排液模式，利用氣動球閥開關控制分離器液位。

圖4 蘇南集氣站數據采集功能原理圖

8）監測并顯示外輸4 路孔板流量計所測外輸天然氣溫度、壓力、差壓、瞬時流量、累計流量等參數。瞬時流量與累計流量由PLC計算獲取。

9）監測、控制并顯示清管接收區氣動球閥狀態：閥門開狀態、閥門關狀態，遠程開關氣動球閥。當集氣支線來氣管線壓力觸發高限或低限報警時，蘇南-C2 集氣站、蘇南-C3 集氣站來氣管線緊急切斷閥關閉。

10）監測、控制并顯示清管發送區氣動球閥狀態：閥門開狀態、閥門關狀態，遠程開關氣動球閥。當集氣支線來氣管線壓力觸發高限或低限報警時，外輸去第五天然氣處理廠管線緊急切斷閥關閉。

11）遠程自動點火控制。

12）監測、控制并顯示分液罐氣動球閥狀態：閥門開狀態、閥門關狀態，遠程開關氣動球閥。

13）監測、控制并顯示閃蒸罐區氣動閥門狀態：閥門開狀態、閥門關狀態，遠程開關氣動球閥。

14）兩臺螺桿泵遠程啟停，并在全場緊急停車情況下自動關停處于運行狀態的螺桿泵。

15）檢測并顯示陰極保護控制臺相關運行參數。

16）實現三種緊急關斷程序（ESD）。

17）壁掛式按鈕緊急停車（放空）：聯鎖關斷該集氣站所轄井叢井口截斷閥、BB9’井叢注醇泵停車、集氣站站內進出口所有氣動緊急截斷閥關斷、集氣站站內螺桿泵停車，3、4 號分離器進口放空氣動球閥打開、火炬遠程點火。

18）HMI手動啟動全站緊急停車（不放空）：聯鎖關斷該集氣站所轄井叢井口截斷閥、BB9’井叢注醇泵停車、集氣站站內進出口所有氣動緊急截斷閥關斷、集氣站站內螺桿泵停車。

19）站場設備緊急停車，為每個干管建立HMI急停按鈕，聯鎖關斷每條干管進站緊急截斷閥及所轄井叢井口截斷閥。

20）檢測、控制并顯示中間閥室氣液聯動閥閥門狀態：閥門開狀態、閥門關狀態、遠程或就地控制狀態，遠程開關閥，綜合故障（以第三方設備通訊參數列表為準，通過通訊方式實現）。

21）檢測、控制并顯示所有BB9’井叢電動閥門狀態：閥門開狀態、閥門關狀態、遠程開關閥。監測、控制并顯示兩臺雙頭注醇泵每個泵的運行狀態，遠程關泵（BB9’井叢電動閥突然斷電后依然保持原狀態，不會造成斷電關閥導致井叢憋壓情況）。

22）檢測、控制并顯示所有井叢井口截斷閥：閥門開狀態、閥門關狀態、遠程關閥。

23）檢測并顯示所有井叢井口智能一體化流量計所測外輸天然氣溫度、壓力、瞬時流量、累計流量等參數（以第三方設備通信參數列表為準，以通訊方式實現）。

24）檢測兩座集氣站自用氣流量、溫度、壓力。

25）檢測兩座集氣站地埋污水罐液位。

26）檢測兩座集氣站可燃氣體濃度并設濃度超限報警[5]。

4 結論

1）增強了安全生產能力。實現了遠程關井、干線遠程聯鎖放空、自用氣壓力監控、集氣站紅外對射防闖入報警等功能，同時利用蘇南公司3 種不同工況下ESD緊急停車系統，增強了現場安全生產能力。

2）提升了管控能力。在現場工藝流程基礎上，構建了覆蓋生產全過程的監控流程，該站控系統在系統模型架構、PLC 硬件的應用以及Modbus 及OPC等關鍵通訊技術應用上都有所創新，生產管理終端直接將監控中心延伸至生產現場，提升了集氣站管理水平。

3）提高了勞動生產效率。集氣站站控SCADA系統的應用推進了傳統條件下勞動組織構架的改變。在集氣站生產巡護工作中，降低運行成本及用工總量，提升管理效率，夯實“提質增效、持續穩產”基礎。